Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda...

21
Research Unit: Genetics and Biotechnology 38th ICAR Annual Meeting. 27 38th ICAR Annual Meeting. 27 th th May May 1 1 st st June 2012, Cork, Ireland June 2012, Cork, Ireland Agricultural Research Agency of Sardinia A. Carta 1 , M.G. Usai 1 , S. Sechi 1 , S. Salaris 1 , S. Miari 1 , T. Sechi 1 , G.B. Congiu 1 , G. Mulas 1 , S. Murru 2 and S. Casu 1 1 Research Unit: Genetics and Biotechnology, DIRPAAGRIS Sardegna, Sassari, Italy 2 Associazione Nazionale della Pastorizia – ASSONAPA, Rome, Italy Fine mapping of QTLs and genomic selection for production traits in an experimental population of Sarda dairy sheep.

Transcript of Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda...

Page 1: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

A. Carta1, M.G. Usai1, S. Sechi1, S. Salaris1, S. Miari1, T. Sechi1, G.B. Congiu1, G. Mulas1, S. Murru2

and S. Casu1

1Research Unit: Genetics and Biotechnology, DIRPA‐AGRIS Sardegna, Sassari, Italy

2Associazione Nazionale della Pastorizia –

ASSONAPA, Rome, Italy

Fine mapping of QTLs and genomic  selection for production traits in an  experimental population of Sarda 

dairy sheep.

Page 2: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

Official recording:•

Milk Yield• Fat and Protein Content• Udder Morphology• Somatic Cell Count• PrP Genotyping

Official recording:• Milk Yield• Fat and Protein Content• Udder Morphology• Somatic Cell Count• PrP Genotyping AI and NM 

Elite rams

240,000 animals, 1,062 flocks

Sire’s dams

500 sampling rams ± 50 rams 

3,000,000 animals; 11,000 flocks

One out‐of‐season lambing period per year

Lambing: adults from October to DecemberLambing: primiparous ewes from February to March 

Lambs slaughtered after 30 days

Milk processed in PDO cheeses(Pecorino Romano, Pecorino Sardo e Fiore Sardo) 

Diffusion of 

genetic gain by 

natural mating 

rams

Selection scheme of Sarda dairy sheep breed

The breeding programs currently ongoing  based on the traditional quantitative  approach have achieved appreciable genetic gains for milk yield.

Introduction

Selected Population

Commercial Flocks

Official recording:•

Milk Yield• Fat and Protein Content• Udder Morphology• Somatic Cell Count• PrP Genotyping

Official recording:• Milk Yield• Fat and Protein Content• Udder Morphology• Somatic Cell Count• PrP Genotyping

Page 3: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

Possibility of including other traits: 

•SCC, FC, PC udder morphology (included with simplified recording)

•resistance to diseases (mastitis, internal parasites, paratuberculosis) 

•milk nutritional value (fatty acid composition)

•milkability traits 

limited by 

high organizational effort

needed to apply the traditional quantitative approach  

high recording costs for traits difficult to measure 

reduction of public funding

The application of selection schemes assisted by molecular 

information is potentially useful in dairy sheep 

Page 4: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

The main reasons:

•high cost of HD SNP arrays mainly if related to the number of recorded traits

•difficulty in finding well‐structured training populations to estimate SNP effects

• advent of affordable high‐throughput technology for SNP

• reduction in sequencing costs

shift to SNP markers for

QTL mapping and genome‐wide selection studies 

Genome‐wide selection seems still unachievable 

in most dairy sheep breeds

Page 5: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

To present preliminary elements to evaluate the 

potential evolution to nucleus flocks of pre‐existing 

experimental populations created for QTL detection 

purposes

to increase the efficiency of the selection process

Aim of this study

Page 6: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Experimental populationx

10 Lacaune sires 10 Sarda dams

10 F1 siresLacaune chromosomes=

Sarda chromosomes=

1998

Sarda chromosomes=

xSarda ewes

BC ewes (G0)

2000‐2004

G3 ewes

x18 Sarda sires

G1 ewesx

11(+4) sires

G2 ewesx

11 Sarda sires

2003‐2009

x~20 AI sires/year

G3/G4 ewes

2010…

Page 7: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

S2

has been designed to be the

nucleus flock (NF) of the 

Sarda breed with the aim of  estimating EBV and DGV of 

the most important blood lines 

Materials and methods

Description of the experimental nucleus flock of the Sarda breed

BC

generated by mating F1 Lacaune x Sarda sires with Sarda ewesS1

generated by mating Sarda sires with S0 ewesS2

generated by mating AI Sarda rams with S1 ewes 

Page 8: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

PhenotypesMaterials and methods

Page 9: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

Genotyped animals (Illumina Inc. OvineSNP50 Beadchip): 

• Around 2,000 G0, G1

and G2 ewes

• 10 F1 Lacaune x Sarda sires, 

• 62 out of the 88 Sarda sires used in nucleus flock (SA) 

• 94 AI old 

Sarda rams with the highest genetic impact 

on the selected population (HI)

Genotypes Genotyping:  Porto Conte Ricerche  ‐

iScan Platform of Illumina.

Individuals with a portion of missing genotypes higher than 10% 

X chromosome and  SNPs which could not be mapped   

SNPs with call rate lower than 95% 

MAF lower than 1% 

(final data set: 44,859 SNP)

Materials and methods

Page 10: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

• LA with “extended”

families:

including phenotypes and  genotypes of grand‐

and great‐grand‐daughters

• At each SNP position a within‐family linear regression of  phenotypes on the probability of inheriting one of the QTL 

alleles of the family founder 

• The model also included a founder effect and was tested by  likelihood ratio test (LRT). 

• Separate analyses were performed for F1

and SA

families in  order to detect QTL segregating between breeds and within  the Sarda breed respectively. 

• Chromosome‐wise and genome‐wise significance thresholds  were defined by 10,000 within family permutations.

Fine mapping of QTLs

Materials and methods

Page 11: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

• Evaluated by relationship

and genomic relationship  matrices

• Relationship matrix included 2,894 selected  population (SP) sires of ewes with lactation  records in 2011 and SA rams. 

• The genomic relationship matrix included 94 HI and 62 SA

rams.

Genetic link between the selected population and the nucleus flock

Materials and methods

Page 12: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

DGV were estimated

by LASSO‐LARS (LL) procedure using 

1,464 ewes

of G1 and G2.

LL

procedure was run until 500 SNPs were fitted in the model. 

At each step the correlation between DGVs obtained by the current set  of active SNP effects and the corresponding EBVs was calculated.

The DGV for MY of HI and SA rams was calculated as the sum of the  genotype effects derived from the estimated SNP allele substitution  effects. 

DGV and EBV calculation 

Materials and methods

Page 13: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

1.

SA rams: within NF and 

official EBV

s

2.

SA rams: EBV

estimated on NF daughters and DGV

: to estimate the 

SNP effects’

predictive ability

3.

HI rams: EBV estimated in the official genetic evaluation and DGV

to estimate the SNP effects’

predictive ability of EBV estimated for SP 

rams

DGV and EBV correlations 

Materials and methods

Page 14: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

Results and discussion

Milk Yield• 2 QTL exceeding the genome‐wise significance threshold in F1 families• No SA QTL was genome‐wise significant. 

Fat Content• 5 QTL exceeded the 0.05 genome‐wise significance threshold in F1 families. • 2 QTL exceeded the 0.05 genome‐wise significance in SA sires

Protein Content• 4 QTL exceeding the genome‐wise significance threshold in F1 families• 1 QTL exceeding the genome‐wise significant threshold in SA.

. * chromosome‐wise significant (p<0.05); § genome‐wise significant (p<0.05)

QTL fine mapping

Number of QTL  detected in F1 was larger than in SA sires

Page 15: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

• Among the 16 QTLs in F1 and SA on the same chromosomes, only OAR20     for MY, OAR 6 and 16 for PC

showed close peaks (<5 Mb)

• Results do not allow to clearly define causative mutation or LD markers 

• LD and LDLA analyses are expected to improve the power of fine  mapping

• Further improvements are expected by the increasing of the size of the  genotyped and phenotyped portion of NF

and by the sequencing of a set of 

target animals

. * chromosome‐wise significant (p<0.05); § genome‐wise significant (p<0.05)QTL fine mapping

Results and discussion

Page 16: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

• 90% of HI have a genomic relationship higher than 0.125 with at least one SA sire

• 80% of SP sires had a relationship coefficient higher than 0.0625 with at least one SA. 

• The percentage of HI and SP genome represented in SA seems to be sufficient to allow  either a correct estimation of SNP effects or a sufficiently accurate evaluation

of SP  blood lines.

Frequencies of maximum relationship between pairs of SP and HI sires with SA sires extracted from the 

relationship and genomic relationship matrix respectively. 

Genetic link between selected population and nucleus flock

Results and discussion

Page 17: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

• Correlation between SA within NF EBV and official EBV was 0.51

• Correlation between SA within NF EBV and 

DGV

was 0.91

• Correlation between official EBV and DGV of HI sires was 0.43.  

DGV and EBV estimation

These results confirm that SNP effects estimated by genotypes of NF ewe

have a  promising predictive ability of SA and HI sires EBVs. 

The genomic tools originally used to detect QTLs can be also used also for genome‐wide  selection

Further improvements are expected by increasing the number of genotyped and  phenotyped NF ewes. 

Results and discussion

Page 18: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

Conclusion

QTL fine mapping•The 

addition 

of 

the 

following 

generations 

of 

genotyped 

and 

phenotyped 

ewes 

combined 

with 

more 

sophisticated 

statistical  methods will lead to a more precise definition of the QTL  regions.  

High 

density 

sequencing 

techniques 

on 

target 

animals 

should 

allow  to identify causal mutations or LD SNPs to be used for selection.  

DGV and EBV estimation•The 

correlation 

between 

the 

DGV 

based 

on 

SNP 

effects 

from 

the 

nucleus 

flock 

and 

EBV 

estimated 

by 

progeny 

test 

in 

the 

selected  population 

confirms 

that 

the 

nucleus 

flock 

can 

be 

useful 

to 

predict 

genetic merit  of rams used in the selected population. 

Page 19: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

• Results seem promising for including the pre‐existing experimental  flock 

created 

for 

QTL 

detection 

purposes 

in 

the 

breeding 

program

of the Sarda breed with 

the aim 

of 

increasing 

the 

efficiency 

of 

the  selection process.

• In the next future, simulation studies will be carried out to optimize  the 

size 

of 

the 

nucleus 

flock 

and 

to 

find 

objective 

methods 

for 

choosing 

the 

blood 

lines 

to 

include 

in 

the 

nucleus 

flock 

and  defining the size of the sire families.

General Conclusions

Page 20: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

Potential Evolution of selection scheme of Sarda dairy sheep brePotential Evolution of selection scheme of Sarda dairy sheep breeded

AI and NM Elite rams

240,000 animals, 1,062 flocks

Sire’s dams

500 sampling rams 

± 50 rams 

3,000,000 animals; 11,000 flocks

One out‐of‐season lambing period per year

Lambing: adults from October to DecemberLambing: primiparous ewes from February to March 

Lambs slaughtered after 30 days

Milk processed in PDO cheeses(Pecorino Romano, Pecorino Sardo e Fiore Sardo) 

Selected Population

Commercial Flocks

Results and discussion

Official recording:•

Milk Yield• Fat and Protein Content• Udder Morphology• Somatic Cell Count• PrP Genotyping

Official recording:• Milk Yield• Fat and Protein Content• Udder Morphology• Somatic Cell Count• PrP Genotyping

Page 21: Fine QTLs and genomic selection for production traits in ... · 11(+4) sires. G2 ewes. x. 11 Sarda sires. 2003‐2009. x ~20 AI sires/year. G3/G4 ewes.

Research Unit:

Genetics and Biotechnology

38th ICAR Annual Meeting.  2738th ICAR Annual Meeting.  27thth May May ‐‐ 11stst June 2012, Cork, IrelandJune 2012, Cork, Ireland

Agricultural Research Agency of Sardinia

Thank you for your attention

Study  realised in the framework of the European Project 3SR ( FP7‐KBBE‐2009‐3‐245140)